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Multiple-sample approach: reliable ranking and validated statistics of bonding and adhesive strength
(2014)
Bonding strength of adhesive-bonded joints and adhesive strength of coatings have been exclusively determined in single-sample tests using a tensile testing machine. Necessarily, the single-sample approach was also applied to the corresponding bonding procedure. As a consequence, reliability and reproducibility of results were restricted. By applying the newly introduced centrifuge technology, the multiple-sample approach was realized for simultaneous tensile testing of up to eight samples under identical conditions without any disturbing shear-force effects. In order to introduce the multiple-sample approach into the bonding procedure, a hydraulic bonding set-up was developed which enables identical bonding pressure also for slightly different heights of sample assemblies. Both sample approaches were compared for various application examples: ranking of different classes of adhesives, validated statistics of adhesive-bonded joints using one particular adhesive and effects of cleaning and plasma-treatment on the adhesive strength of coatings. The investigated systems included glass, metals and polymer substrates, different adhesives, metallic and dielectric coatings on polymers.
Multiple-sample approach: reliable ranking and validated statistics of bonding and adhesive strength
(2014)
Bonding strength of adhesive-bonded joints and adhesive strength of coatings have been exclusively determined in
single-sample tests using a tensile testing machine. Necessarily, the single-sample approach was also applied to the
corresponding bonding procedure. As a consequence, reliability and reproducibility of results were restricted. By
applying the newly introduced centrifuge technology, the multiple-sample approach was realized for simultaneous
tensile testing of up to eight samples under identical conditions without any disturbing shear-force effects. In order to
introduce the multiple-sample approach into the bonding procedure, a hydraulic bonding set-up was developed which
enables identical bonding pressure also for slightly different heights of sample assemblies. Both sample approaches
were compared for various application examples: ranking of different classes of adhesives, validated statistics of
adhesive-bonded joints using one particular adhesive and effects of cleaning and plasma-treatment on the adhesive
strength of coatings. The investigated systems included glass, metals and polymer substrates, different adhesives,
metallic and dielectric coatings on polymers.
Zur Bewertung der Klebkraft von Klebebändern werden üblicherweise die Prüfungen zur Bestimmung des Schälwiderstandes (in N/25 mm) mit 90° bzw. 180° Abzugswinkel unter Verwendung einer Zugprüfmaschine (ZP) herangezogen, Für die hier gezeigten Beispiele wurde dabei eine V2A-Prüfplatte (Ra = 0,15 pm), ein Abzugswinkel von 90° und eine Abzugsgeschwindigkeit von 300 mm/min verwendet.
Alternativ wurde der Versuch unternommen, die Klebkraft von Klebebändern durch die Prüfung der Verbundfestigkeit (in N/mm2) mittels Zentrifugen-Technologie (ZT) zu bestimmen. Dazu wurden beidseitig klebende Klebeband-Pads einer Abmessung von (10x10) mm2 zunächst auf V2A-Stahlsubstrate aufgebracht und anschließend dann auf diese modulare Prüfstempel (Klebfläche aus V2A, 0=10 mm; Massekörper
aus Cu) aufgesetzt. In Abb. 1 sind Beispiele von Versagensformen, wie sie nach der Prüfung der Verbundfestigkeit mittels ZT auftreten können, dargestellt.
Für Prüfungen in der Beanspruchung auf Zug zur Bestimmung der Haft- bzw. Klebfestigkeit bzw. in der Beanspruchung auf Druck zur Bestimmung der Härte wurden bisher Zug- bzw. Härteprüfmaschinen als Ein-Proben-Prüfungen verwendet. In der Beanspruchung auf Zug ist die Probe beidseitig, und um das Einleiten von Querkräften zu verhindern, oft doppeltkardanisch einzuspannen. In jedem Falle handelt es sich um Ein-Proben-Prüfungen. Bei der Zentrifugentechnologie kann mit der Zentrifugalkraft als Prüfkraft unter Verwendung eines Trommelrotors erstmals in einer Mehr-Proben- Anordnung gearbeitet werden. Da die Proben nur einseitig unterstützt werden, ist die Beladung über einfaches Einstecken realisierbar.
Mit dem Auf-Tisch-Prüfsystem können bis zu acht Proben gleichzeitig auf Zug oder Druck beansprucht werden. Ein aufgeklebter oder anderweitig mit dem Prüfkörper verbundener und unter Einwirkung der Zentrifugalkraft in einer Führungshülse radial nach außen laufender Prüfstempel beansprucht dann die Klebung, die Beschichtung oder den Verbund auf Zug bis zum Versagen. Im Augenblick des Abrisses wird ein positionscodiertes und drehzahlkorreliertes Signal gesendet und so die Bestimmung von Kleb-, Haft- bzw. Verbundfestigkeiten im Mehr-Proben-Versuch möglich. Analog beansprucht ein in einer Führungshülse radial innen an den Proben anliegender ggf. mit entsprechenden Eindringkörpern ausgerüsteter nach außen gerichteter Prüfstempel die Proben auf Druck.
Aus Drehzahl, Radius und Prüfstempelmasse können dann Kleb-, Haft- bzw, Verbundfestigkeiten oder aber Brinell-, Kugeldruck- oder Vickers-Härtewerte bestimmt werden.
Aus der Möglichkeit mittels Zentrifugentechnologie bis zu 8 Proben gleichzeitig einer Zugprüfung unter wirklich identischen Bedingungen, schnell über einfaches Einstecken der Proben und unter Ausschluss jeglicher Querkräfte, zu unterziehen , ergab sich für Klebverbindungen erstmals die Möglichkeit einer statistisch abgesicherten Prüfung identischer bzw. einer vergleichend bewertenden Prüfung unterschiedlicher Verbundsysteme. Es war deshalb naheliegend, auch das Aufkleben der Prüfstempel unter möglichst identischen Bedingungen und ebenfalls frei von Querkräften im OKTETT durchzuführen. Außerdem sind beim durchgehenden Handling im OKTETT die identische Vorbehandlung vor dem Kleben, identische Transferzeiten und -bedingungen zwischen den verschiedenen Prozessschritten, eine weitgehend gleichartige Klebstoffaufbereitung und -applikation sowie die bessere Einhaltung von gleichen Verarbeitungs- und Aushärtezeiten der Klebstoffe vor der Prüfung der Verbundfestigkeit für jeweils 8 Proben sichergestellt. Im Ergebnis dieser Überlegungen stellte sich schnell heraus, dass das Mehr-Proben-Kleben unter identischen Bedingungen für in Grenzen unterschiedliche Verbundsysteme eine ungelöste Aufgabenstellung ist.